华北地区空中水汽含量与降水量的关系_张秉祥

从华北地区水汽含量的逐月变化（ 图 2a） 可以 看出，1 ～ 7 月水汽含量逐渐增加，8 月略有回落，7 ～ 8 月为华北地区水汽含量的峰值期，9 月以后水汽含 量迅速减少，5 ～ 9 月是华北地区一年中水汽含量最 多的月份，该 5 个月水汽含量共计 100． 7 mm，约占 全年的 74． 5% ，其它 7 个月水汽含量均在 10 mm 以 下，其中 12 月和 1 ～ 3 月不足 5 mm。降水量的月分 布与水汽含量比较一致，从 1 月开始降水逐渐增加， 到 7 月达到最大值，为 87． 5 mm，之后又逐渐减少。 降 水主要集中在汛期（ 5 ～ 9 月） ，汛期平均降水量
2． 2． 2 水汽含量与降水量的年变化 从华北地区的年降水量和年平均水汽含量的逐
年变化（ 图 3a） 可以看出： 年降水量和年平均水汽含 量的年际变化基本一致，两者呈正相关，相关系数为 0． 38，通过了 α = 0． 05 的显著性检验，即水汽含量 偏多年，降水量也相对较多，水汽含量偏少年，降水 量也相对少一些。利用线性趋势计算得出近 30 a 来华北地区年平均水汽含量呈增加趋势，而年降水
降水效率［2］ 表 示 区 域 上 空 水 汽 转 化 为 降 水 的
效率，定义为降水量与单位大气柱内水汽含量之比， 即：
η = P/W
（ 4）
采用线性 趋 势［19］ 分 析 华 北 地 区 空 中 水 汽 含 量
和降水量的时空变化特征； 利用 SVD［19］方法分析水 汽含量和降水量的相关关系； 利用合成分析方法对 降水异常年大气环流及垂直上升运动进行诊断分 析。
1 资料及方法
1． 1 资料 （ 1） 国家气象信息中心提供的华北地区 12 个
探空站近 30 a（ 1979 ～ 2008 年） 地面及高空各标准 等压面上的月平均气温、温度露点差及月降水量，考 虑到 200 hPa 以上水汽含量稀少，主要分析从地面 到 200 hPa 各标准等压面上的湿度参量； （ 2） NCEP / NCAR 提供的同期 30 a 再分析月平均资料（ 主要有 风场、比湿及垂直速度） 。 1． 2 方法
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量呈下降趋势，趋势系数分别为 0． 13 mm /10 a 和 － 7． 5 mm /10 a，但均未通过 α = 0． 05 的显著性检验， 说明两者变化趋势都不明显。
3 水汽含量与降水量相关的 SVD 分 析
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算了各个站点不同时刻对应的水汽总量，在此基础 上分析了华北地区水汽总量特征，并建立了水汽总 量与地面水 气 压 的 关 系。 蔡 英 等［17］ 分 析 了 华 北 湿 年的低层水汽通量场，指出在华北湿年夏季，西太平 洋副高偏北，东亚夏季风偏强，来自南海的水汽输送 增加。
本文利用华北地区 12 个探空站的观测资料，详 细分析了华北地区空中水汽和地面降水的变化特征 及两者之间的相关关系，进一步探讨华北地区旱涝 与空中水汽含量关系。
图 3 华北地区逐年降水量及年平均水汽含量（ a） 、降水效率（ b） 变化 Fig． 3 Variations of annual precipitation and water vapor content （ a） and precipitation efficiency （ b） over North China
影响降水的因子很多，其中水汽是降水的基础， 近年来，科研工作者们开始利用各种水汽资料开展 对华北地区 空 中 水 资 源 的 研 究。 曹 丽 青 等［15］ 利 用 1948 ～ 2003 年的 NCEP / NCAR 再分析资料，研究了 华北地区大气水分气候的变化及其对水资源的影 响，分析认为 1960 年代初到 1980 年代中期水汽呈 持续下降趋势，之后略有回升，1990 年代中期以后 又呈下降趋势。李国翠等［16］利用 2004 ～ 2005 年北 京、邢台和张家口 3 个探空站 08 和 20 时的资料，计
关键词：华北地区； 水汽含量； 降水量； 变化特征； 相关关系
中图分类号：P426
文献标识码：A
引言
近百年来，全球变暖已经对许多地区的自然生 态系统产生了影响［1 － 3］，如海平面升高、冰川退缩、 湖泊水位下降、冻土融化等，引起降水格局发生明显 改变［4 － 5］，并将对全球自然生态系统和社会经济可 持续发展产生重大而深远的影响，如地表径流、旱涝 灾害频率等发生变化，特别是水资源的供需矛盾将 更为突出，进入 21 世纪以来，水资源短缺问题日益 成为科学家关注的焦点之一。我国是世界上水资源 匮乏的国家之一［6 － 8］，人均水资源占有量仅相当于 世界人均水资源占有量的 1 /4，并且水资源的时空 分布极不平衡，北方地区缺水较为严重，其中华北地 区是我国水资源严重缺乏的地区之一。随着社会经 济的发展、人口的增长、城市的扩张，水资源危机已 经相当严重［9］，华北干旱更加明显［10 － 11］，水资源严 重不足成为影响该区经济发展和人民生活水平提高 的瓶颈，因此加强华北地区水资源的研究具有非常 重要的现实意义。
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图 2 华北地区水汽含量和降水量（ a） 及降水效率（ b） 的月变化 Fig． 2 Monthly variations of water vapor content and precipitation （ a）
和降水效率均呈减少趋势，降水效率较低，华北地区空中水资源开发潜力较大。SVD 的第 1 模态反映
出华北地区水汽含量与降水量存在密切联系，当空中水汽含量偏多（ 少） 时，大部分地区降水偏多
（ 少） 。华北地区夏季涝（ 旱） 年在南海至西太平洋地区有（ 无） 明显的水汽向华北地区辐合，同时西
风带也有（ 无） 水汽向华北地区输送，且大部分地区 850 hPa 垂直上升运动强（ 弱） 于常年。
利用探空资料中的温度和温度露点差，根据饱 和水汽压与温度的关系，来确定各个等压面上的水 汽压值［18］，然后 得 出 各 个 等 压 面 上 的 比 湿，最 后 得 出整层水汽含量，具体公式为：
[ ] e = 0． 611 × exp
a × td
273． 16 + td － b
（ 1）
q
=
0． 62197
从华北地区近 30 a 的年平均水汽含量的空间 分布（ 图 1a） 可知，华北地区年平均水汽含量为 9 ～ 19 mm，分布特点是东部、南部多，西部、北部少，随 纬度增高呈减少趋势，且各个台站间差异较大，这一 分布特征与年降水量（ 图 1b） 的地理分布比较接近。 水汽高值区位于南部和东南部，其中在河北省南部 的太行山山脉附近存在一个 19 mm 的大值中心，这 与地面 530 mm 的强降水中心分布一致，水汽含量 最少的地 方 在 内 蒙 古 西 部 的 沙 漠 地 区，其 值 为 9 mm，而这一地区的降水量也只有 30 mm。可见空中 水汽含量高 的 地 区，地 面 降 水 量 相 对 也 大，反 之 亦 然，那么水汽含量高的地区水汽向降水转化的效率 是否也大呢？ 利用公式（ 4） ，分别计算了华北地区 12 个探空站近 30 a 平均降水效率（ 图 1c） ，降水效 率也是由东南向西北递减，其中北京的降水效率最 大（ 12． 78% ） ，其次为通辽和赤峰，降水效率也超过 了 10% ，分别为 10． 52% 和 10． 47% ，其它站点的降 水效率均在 10% 以下，其中内蒙古西部的额济纳旗 最小，只有 1． 09% 。 2． 2 水汽含量与降水量的时间变化特征 2． 2． 1 水汽含量与降水量的季节分布
收稿日期：2012 － 01 － 06；改回日期：2012 － 04 － 06 作者简介：张秉祥（ 1958 － ） ，男，河北沧州人，工程师，主要从事气象预报服务工作． E － mail： han6812@ sina． com
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文章编号：1006 － 7639（ 2012） － 02 － 0207 － 08
干旱气象
Journal of Arid Meteorology
Vol． 30 No． 2 June，2012
华北地区空中水汽含量与降水量的关系
张秉祥，韩军彩，陈 静，刘 萍
（ 河北省石家庄市气பைடு நூலகம்局，河北 石家庄 050081）
比较华北地区近 30 a 逐年降水效率与降水量 （ 图 3b） ，降水效率和降水量的变化比较吻合，旱年
降水效率相对偏小一些，而涝年降水效率相对偏大 一些。利用线性趋势计算得出近 30 a 来华北地区 年降水效率以 0． 17% /10 a 的趋势在下降（ 相关系 数仅为 － 0． 10，没有通过 α = 0． 05 的显著性检验） ， 但下降趋势不明显，这与降水量的变化趋势一致。
2 水汽含量和降水量的时空分布特征
利用公式 （ 1 ） ～ （ 3 ） 计 算 出 华 北 地 区 范 围 内 1979 ～ 2008 年 12 个探空站整层的逐月平均水汽含 量，然后对该 12 个探空站的月降水量和月平均水汽 含量进行统计，并用该 12 个探空站的平均值来代表 华北地区的均值。 2． 1 水汽含量与降水量的空间分布特征
目前对于华北地区地面降水的研究，已有大量 的研究成果。黄荣辉等［12］利用 1951 ～ 1994 年 6 ～ 8 月份降水量资料研究指出，我国夏季降水于 1965 年
前后发生了一次气候跃变，在华北地区表现为 1965 年以后夏季降水明显减少，干旱化趋势明显。马晓 波［13］分析认为 1950 年代以来华北地区降水量呈减 少趋势，特别是从 1965 年以来持续减少，利用计算 的蒸发量资料分析发现华北全区蒸发量呈增加的趋 势。陈烈庭［14］分 析 了 华 北 地 区 夏 季 降 水 标 准 差 的 空间分布及其距平百分率的年际和年代际的地域特 征，并分区分析了华北降水量的长期变化趋势及其 阶段性和突变性，指出华北地区夏季降水年际变化 存在很大的地域性差异，40 多 a 来发生过 2 次变干 过程： 一次是在 1960 年代中期，另一次在 1970 年代 末期，且不同地区干旱化趋势和变干的程度也有明 显不同。